Dýchání ( lat. respiratio ) je hlavní formou katabolismu u zvířat , rostlin a mnoha mikroorganismů . Dýchání je fyziologický proces, který zajišťuje normální průběh metabolismu (metabolismu a energie) živých organismů a napomáhá udržovat homeostázu (stálost vnitřního prostředí), přijímání kyslíku ( O 2 ) z prostředí a odvádí některé z produktů látkové výměny. tělesa do prostředí v plynném stavu ( СО 2 , H 2 O a další). V závislosti na intenzitě metabolismu člověk uvolní plícemi v průměru asi 5 - 18 litrů oxidu uhličitého (CO 2 ) a 50 gramů vody za hodinu. A s nimi - asi 400 dalších nečistot těkavých sloučenin, včetně acetonu . V procesu dýchání se látky bohaté na chemickou energii patřící tělu oxidují na energeticky chudé konečné produkty ( oxid uhličitý a voda), k tomu se využívá molekulární kyslík .
Zevním dýcháním je myšleno[ kdo? ] výměna plynů mezi tělem a prostředím, včetně absorpce kyslíku a uvolňování oxidu uhličitého, jakož i transport těchto plynů v těle systémem dýchacích cest ( tracheálně dýchající hmyz ) nebo v oběhovém .
Buněčné dýchání zahrnuje biochemické procesy transportu proteinů přes buněčné membrány; stejně jako skutečná oxidace v mitochondriích , vedoucí k přeměně chemické energie potravy.
U organismů, které mají velký povrch v kontaktu s prostředím, může docházet k dýchání v důsledku difúze plynů přímo do buněk přes póry (například v listech rostlin, u kavitárních živočichů). S malým relativním povrchem se transport plynu uskutečňuje v důsledku krevního oběhu (u obratlovců a dalších) nebo v průdušnici (u hmyzu ). U člověka v klidu představuje výměna plynů přes kůži s atmosférou asi 2–3 % výměny plynů v plicích [1] .
Všechny rostliny absorbují oxid uhličitý během denního světla a produkují kyslík - to je růstová fáze. V noci, fáze spánku, dochází k opačnému procesu: při dýchání se vstřebává kyslík, uvolňuje se oxid uhličitý, množství uvolněného CO 2 je zanedbatelné a není diskutován vědci.
Anaerobní dýchání u rostlin objevil Louis Pasteur . Obvykle se vyskytuje v souladu s celkovou rovnicí alkoholového kvašení:
Anaerobní dýchání je fermentační proces. Množství energie (standardní změna volné energie), které by se muselo uvolnit při fermentaci, je 234 kJ na mol spotřebované hexózy. Aby si tedy rostlina zajistila potřebné množství energie, musí během fermentace spotřebovat podstatně větší množství hexóz než při aerobním dýchání. V kyslíkové atmosféře dochází k energeticky efektivnějšímu aerobnímu dýchání, které chrání rostlinu před nadměrným plýtváním organickou hmotou [2] .
V anaerobních podmínkách je chlorofyl rozpuštěný v pyridinu redukován působením světla kyselinou askorbovou nebo jinými donory elektronů. Ve tmě probíhá reakce opačným směrem:
„Fotoredukovaný“ chlorofyl zase může být redukován takovými akceptory jako NAD+, chinony, Fe3+.
Tyto reakce jsou pojmenovány po A. A. Krasnovském [3] [4] .
Obecné principy organizace procesu dýchání na molekulární úrovni u rostlin a zvířat jsou podobné. Vzhledem k tomu, že rostliny vedou připoutaný životní styl, jejich metabolismus se však musí neustále přizpůsobovat měnícím se vnějším podmínkám, proto má jejich buněčné dýchání některé vlastnosti (další oxidační dráhy, alternativní enzymy).
Výměna plynů s vnějším prostředím se provádí průduchy a lenticelami, trhlinami v kůře (ve stromech).
Lidské dýchání lze rozdělit do fází:
Funkci zevního dýchání zajišťuje jak dýchací systém , tak oběhový systém . Atmosférický vzduch vstupuje do plic z nosohltanu (kde je předem očištěn od mechanických nečistot, zvlhčen a ohřát) přes hrtan a tracheobronchiální strom ( průdušnice , hlavní průdušky , lobární průdušky , segmentální průdušky, lobulární průdušky, průdušky a alveolární vývody) plicní alveoly . Dýchací bronchioly, alveolární vývody a alveolární vaky s alveoly tvoří jeden alveolární strom a výše uvedené struktury, vybíhající z jednoho terminálního bronchiolu, tvoří funkční a anatomickou jednotku respiračního parenchymu plic - acinus ( lat. ácinus - shluk ) . Výměnu vzduchu zajišťují dýchací svaly , které nadechují (nabírají vzduch do plic) a vydechují (odvádějí vzduch z plic). Přes membránu alveolů dochází k výměně plynů mezi atmosférickým vzduchem a cirkulující krví [5] . Krev obohacená kyslíkem se dále vrací do srdce, odkud je vedena tepnami do všech orgánů a tkání těla. Se vzdáleností od srdce a rozdělením se kalibr tepen postupně zmenšuje na arterioly a kapiláry, přes jejichž membránu dochází k výměně plynů s tkáněmi a orgány. Hranice mezi zevním a buněčným dýcháním tedy probíhá podél buněčné membrány periferních buněk .
Vnější dýchání člověka zahrnuje dvě fáze:
Ventilace alveolů se provádí střídavým nádechem ( inspirace ) a výdechem ( exspirace ). Při nádechu vstupuje atmosférický vzduch do alveol a při výdechu je vzduch nasycený oxidem uhličitým z alveol odstraněn. Nádech a výdech se provádí změnou velikosti hrudníku pomocí dýchacích svalů .
Existují dva typy dýchání podle způsobu nádech-výdech [6] :
Typ dýchání závisí na dvou faktorech:
Dospělý člověk v klidu provede průměrně 14 dýchacích pohybů za minutu [16] . Dechová frekvence však může výrazně kolísat (od 10 do 18 za minutu) [16] . U dětí je dechová frekvence 20-30 dechů za minutu; u kojenců - 30-40; u novorozenců - 40-60 [16] .
Během jednoho nádechu (v klidném stavu) se do plic dostane 400-500 ml vzduchu . Tento objem vzduchu se nazývá dechový objem (TO). Stejné množství vzduchu vstupuje do atmosféry z plic při tichém výdechu. Maximální hluboký nádech je asi 2000 ml vzduchu. Maximální výdech je také cca 2000 ml.
Po maximálním výdechu zůstává v plicích asi 1500 ml vzduchu, který se nazývá zbytkový objem plic . Po klidném výdechu zůstává v plicích přibližně 3000 ml. Tento objem vzduchu se nazývá funkční reziduální kapacita (FRC) plic.
Díky FRC je v alveolárním vzduchu udržován relativně konstantní poměr obsahu kyslíku a oxidu uhličitého , protože FRC je několikanásobně větší než TO. Pouze 2/3 dýchacích cest zasahují do alveol, což se nazývá alveolární ventilační objem .
Dospělý (s dechovým objemem 0,5 litru a frekvencí 14[ upřesnit ] dýchací pohyby za minutu) projde plícemi 7 litrů vzduchu za minutu [16] . Ve stavu fyzické aktivity může minutový objem dýchání dosáhnout 120 litrů za minutu [16] .
Při klidném dýchání je poměr nádechu a výdechu v čase 1:1,3 [17] .
Bez dýchání může člověk žít obvykle až 5-7 minut, poté nastává ztráta vědomí, nevratné změny v mozku a smrt.
Dýchání je jedna z mála schopností těla, kterou lze ovládat vědomě i nevědomě. Při častém a mělkém dýchání vzrušivost nervových center vzrůstá a při hlubokém dýchání naopak klesá.
Typy dýchání: hluboké a mělké, časté a vzácné, horní, střední (hrudní) a dolní (břišní).
Zvláštní typy dýchacích pohybů jsou pozorovány při škytavce a smíchu .
Biomechanika a biofyzika vnějšího dýchání Patologie zevního dýcháníHlavní formou patologie zevního dýchání je respirační selhání . V závislosti na povaze průběhu patologického procesu se rozlišuje akutní a chronické respirační selhání. Kromě toho existují tři typy respiračního selhání:
Tachypnoe neboli „dýchání štvaného zvířete“ – rychlé mělké dýchání (dechová frekvence nad 20 dýchacích pohybů za minutu). Zrychlené dýchání nastává obvykle při podráždění dýchacího centra odpadními látkami těla ( oxid uhličitý ). Je pozorován při anémii , horečce , krevních onemocněních. Je-li to žádoucí, může to být způsobeno snahou vůle ( hyperventilace ), například před zamýšleným zadržením dechu. Při hysterii může frekvence dýchacích pohybů dosáhnout 60-80 za minutu.
Bradypnoe - patologické snížení dýchání - vzniká při snížení dráždivosti dýchacího centra nebo při potlačení jeho funkce, což může být způsobeno zvýšením nitrolebního tlaku ( nádor mozku , meningitida , mozkové krvácení , mozkový edém ) nebo expozicí dýchací centrum akumulované ve významném množství v krvi toxické metabolické produkty ( urémie , jaterní nebo diabetické kóma , některá akutní infekční onemocnění a otravy ) [18] .
Apnoe ( starořecky ἄπνοια , doslova " klid "; nedostatek dýchání) - nepřítomnost nebo zastavení dýchacích pohybů. Patologický proces spojený s patologií dýchacích svalů, například otrava jedem působícím jako kurare nebo paralýza dýchacího centra, například v důsledku mozkového edému nebo traumatického poranění mozku . Samostatně je izolován syndrom obstrukční spánkové apnoe [19] , který je způsoben ochabnutím horních cest dýchacíchTento typ spánkové apnoe se obvykle vyskytuje u lidí, kteří během spánku chrápou a je špatným prognostickým znamením z hlediska rizika rozvoje akutního kardiovaskulárního selhání.
Při silném podráždění kůže (například při ponoření těla do studené vody) někdy dochází k tzv. reflexu nebo „falešné apnoe“ . Apnoe (jako patologický stav) je také třeba odlišit od uměle vyvolaného zadržování dechu (například při ponoření do kapaliny) – jako následek rozvinutého kyslíkového hladovění (na pozadí zástavy přívodu kyslíku z atmosférického vzduchu do alveolů ). ), mozková kůra je vypnuta (ztráta vědomí nebo zástava procesů vyšší nervové aktivity ), načež podkorové a kmenové struktury (dýchací centrum) dávají povel k nádechu. Pokud současně atmosférický vzduch pronikne do plic , pak když se kyslík dostane do tkání a orgánů (včetně centrálního nervového systému ), dojde ke spontánnímu obnovení vědomí. Pokud je tělo v kapalném prostředí, pak tekutina vstupuje do dýchacího traktu a dochází k utonutí (normální nebo "suché", spojené s laryngospasmem ).
Dušnost nebo dušnost je porušení frekvence a hloubky dýchání, doprovázené pocitem nedostatku vzduchu . V případě patologických změn srdečního svalu se dušnost objevuje nejprve při zátěži a poté se objevuje v klidu, zejména ve vodorovné poloze (vzhledem ke zvýšení žilního návratu krve do srdce), což nutí pacienta užívat vynucená poloha vsedě, která přispívá k ukládání žilní krve v systému dolních dutých žil nohou (ortopedická). Záchvaty těžké dušnosti (obvykle noční) se srdečním onemocněním - projevem srdečního astmatu : dušnost je v těchto případech inspirační (obtížné vdechování). Exspirační dušnost (potíže s výdechem ) nastává při zúžení průsvitu malých průdušek a průdušinek (například při bronchiálním astmatu ) nebo při ztrátě elasticity plicní tkáně (například při rozvoji chronického plicního emfyzému ) . "Cerebrální" dušnost nastává při přímém podráždění dýchacího centra ( nádory , krvácení a další etiologické faktory).
Patologické typy vnějšího dýchání:
Hlavní typy respiračních poruch:
Často dochází ke kombinaci typů poruch.
Alveolární hypoventilaceAlveolární hypoventilace je charakterizována nedostatečnou alveolární ventilací, v důsledku čehož se do krve dostává méně kyslíku a obvykle nedostatečné odstraňování oxidu uhličitého z krve. Hypoventilace má za následek snížení množství kyslíku v krvi ( hypoxémie ) a zvýšení množství oxidu uhličitého v krvi ( hyperkapnie ).
Příčiny alveolární hypoventilace:
Obstrukce dýchacích cest:
Tkáňové neboli buněčné dýchání je soubor biochemických reakcí probíhajících v buňkách živých organismů , při kterých dochází k oxidaci sacharidů , lipidů a aminokyselin na oxid uhličitý a vodu . Uvolněná energie je uložena v chemických vazbách makroergických sloučenin (molekuly kyseliny adenosintrifosforečné a dalších makroergů) a může být tělem využita podle potřeby. Zařazeno do skupiny katabolických procesů . Na buněčné úrovni jsou uvažovány dva hlavní typy dýchání: aerobní (za účasti oxidačního činidla - kyslíku ) a anaerobní . Fyziologické procesy transportu kyslíku do buněk mnohobuněčných organismů a odstraňování oxidu uhličitého z nich jsou přitom uvažovány jako funkce vnějšího dýchání.
Aerobní dýchání . V Krebsově cyklu je hlavní množství molekul ATP produkováno metodou oxidativní fosforylace v poslední fázi buněčného dýchání: v řetězci transportu elektronů. Zde jsou NADH a FADH 2 oxidovány , redukovány v procesech glykolýzy, β-oxidace, Krebsova cyklu atd. Energie uvolněná během těchto reakcí je způsobena řetězcem elektronových nosičů lokalizovaných ve vnitřní membráně mitochondrií (u prokaryot - v cytoplazmatické membráně ), se přeměňuje na transmembránový protonový potenciál . Enzym ATP syntáza využívá tento gradient k syntéze ATP a přeměňuje jeho energii na energii chemické vazby. Bylo vypočteno, že molekula NADH může během tohoto procesu produkovat 2,5 molekuly ATP, FADH 2 - 1,5 molekuly. Konečným akceptorem elektronů v dýchacím řetězci aerobů je kyslík .
Anaerobní dýchání je biochemický proces oxidace organických substrátů nebo molekulárního vodíku za použití jiných oxidačních činidel anorganické nebo organické povahy v respiračním ETC jako konečného akceptoru elektronů místo O 2 . Stejně jako v případě aerobního dýchání se volná energie uvolněná během reakce ukládá ve formě transmembránového protonového potenciálu , který využívá ATP syntáza k syntéze ATP .
Při fyzické námaze se dýchání zpravidla zvyšuje. Metabolismus se zrychluje, svaly vyžadují více kyslíku.